Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
- ионами алюминия. Александрит является двухосным кристаллом ромбической симметрии (пространственная группа - Du,, точечная группа - mmm) с параметрами решетки а = 0,9404 нм, Ъ - 0,5476 нм, с = 0,4427 нм. Александрит обладает плеохроизмом: окраска кристалла вдоль оси а оранжево-желтая, вдоль оси Ъ изумрудно-зеленая и вдоль оси с фиолетово-красная. Искажения кислородных октаэдров в решетке александрита таковы, что локальная симметрия ионов алюминия в одних октаэдрах имеет центр симметрии (All), а в других (Ah) -плоскость симметрии. Пустоты кислородных октаэдров для ионов хрома малы, поэтому присутствие хрома в кислородных октаэдрах приводит к дополнительному их искажению, как и в решетке АЬОз. Однако наличие бериллия в тетраэдрических позициях несколько разрыхляет решетку александрита по сравнению с корундом, увеличивает размеры кислородного октаэдра и ослабляет кристаллическое поле. Поэтому в александрите в соответствии с диаграммой Сугано уровни 2Е и 4Г2 ионов Сг3+ сближаются, что и обеспечивает возможность электронно-колебательных переходов 4Гг -> 4Аг + /гш и работу ионов Сг3+ по четырехуровневой схеме (рис. 4.2), позволяющей перестраивать длину волны излучения в интервале 700...826 нм (лазер на александрите может работать и по трехуровневой схеме, когда генерация происходит за счет чисто электронных переходов 2Е -> 4А 2).
Кристаллы александрита выращиваются методом Чохральского с использованием иридиевых тиглей при индукционном нагреве в инертной атмосфере [3, 8]. Направлением роста выбирается направление [001]. Концентрация ионов Сг3+ составляет 0,1...0,4 % (ат.).
?гсм~' Большая концентрация ионов-
активаторов приводит к появлению упругих напряжений и ухудшению оптического качества кристаллов.
Кристаллы александрита обладают высокими механическими и хорошими тепловыми характеристиками. Теплопроводность александрита лишь в 1,5 раза хуже, чем у корунда, но в 1,5 раза выше, чем у ит-трий-алюминиевого граната. Высокие прочностные харак-*а2 теристики и теплопроводность
Рис. 4.2. Схема энергетических уровней иона Определяют ВЫСОКуЮ Лучевую хрома в александрите ПРОЧНОСТЬ КрИСТаЛЛОВ ЭЛеК-
сандрита.
Свойства кристаллов александрита ВеАЬО-»: Сг3+ приведены ниже:
Симметрия кристалла.......................................Рпша
Параметры решетки, нм:
а........................................... 0,9404
Ь............................................0,5476
с........................................... 0,4427
Температура плавления, °С.................................1870
Твердость:
по Моосу........................................8,5
по Кнуппу, кг/мм2..............................1815
Показатели преломления (к = 700 им):
по оси а.................................... 1,7381
по оси b.................................... 1,7436
по оси с.................................... 1,7361
Нелинейный коэффициент преломления, м2/Вт.............2,0 • 10-20
Теплопроводность, Вт/(см • К).............................0,23
Коэффициент теплового расширения прн Т=20 °С, град-1:
по оси а.........................................6,0 • 10-6
b..........................................6,0 • 1(Н
с..........................................7,0 • 1(Н
Модуль Юнга, Па....................................0,469- 10"6
Край полосы УФ-поглощения, мкм............................0,20
Порог лазерного разрушения, МВт/см'2.......................500
Тепловыделение, при котором кристалл еще не разрушается, составляет для александрита 1000 Вт/см, тогда как для рубина и для ИАГ 600 и 120 Вт/см соответственно [3]. Зависимость показателя преломления от температуры, определяющая процесс самофокусировки, для александрита слабее, чем для рубина и ИАГ [3], нелинейный ко-98
эффициент показателя преломления составляет (2,0 ± 0,3) • 10 20 м2/Вт. Поскольку ионы Сг3+ в александрите могут работать по четырехуровневой схеме, лазер на этом кристалле отличается низким порогом и высокой эффективностью генерации. Совокупность хороших тепловых и механических свойств кристалла позволяет получать на александрите высокие мощности излучения и в импульсном и в непрерывном режимах.
Спектральные свойства александрита определяются переходами с основного состояния 4Ai иона Сг3+ в состояние 4Т\ и 4Тг, которые дают широкие полосы в области 400...600 нм, и узкими линиями поглощения на переходах 4Ai -> 2Е (линии Ri 680,4 нм ийг 678,5 нм) и 4Аг -> 2Ti (линии Ti 655,7 нм, Тг 649,3 нм, Гз 645,2 нм).
Наличие в александрите двух состояний ионов хрома в кислородных октаэдрах, имеющих различную симметрию, предполагает и различие энергетических спектров хрома. Однако, как показано в [3], поглощение и люминесценция ионов Сг3+, находящихся в октаэдрах с плоскостью симметрии, значительно выше поглощения и люминесценции ионов Сг3+ в октаэдрах с центром симметрии. Поэтому спектральные свойства александрита определяются ионами хрома, локальная симметрия которых содержит плоскость симметрии. Однако наличие двух позиций для хрома приводит к тому, что число ионов хрома, определяющих оптические свойства александрита, оказывается меньше, чем концентрация ионов хрома в кристалле. Длинноволновая часть спектра люминесценции в области X > 700 нм определяется электронно-колебательными переходами с испусканием фононов. Время жизни на метастабильном уровне зависит от степени термической заселенности уровня 4Тг при комнатной температуре и составляет 2,60 мкс, а с ростом температуры, т.е. с ростом заселенности уровня 4Тг, оно уменьшается. Квантовый выход люминесценции при переходах с метастабильного уровня близок к единице.
